Was sind Superstrings?
Superstrings oder Superstringtheorie ist ein aufregendes Gebiet der Physik, das manchmal als " The Theory of Everything" bezeichnet wird . Viele halten es für die schwer fassbare Erklärung, nach der Einstein suchte, um alle bekannten Kräfte im Universum zu erklären.
Bis es zu Superstrings kam, hatten Wissenschaftler zwei entgegengesetzte Theorien zum Verhalten der Naturgesetze: Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik.
Die Allgemeine Relativitätstheorie erklärt die Welt, wie wir sie kennen, in ziemlich großem Maßstab. Es beschreibt die Raumzeit als ein Gewebe, das sich aufgrund der Berücksichtigung von Orbitalsystemen, Galaxien und der Schwerkraft durch die Masse verzieht. Diese Gesetze brechen jedoch auf der Quantenebene zusammen, auf der ein subatomares Teilchen nicht in Bezug auf seine exakte Position im Raum zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessen werden kann. Es ist auch so wahrscheinlich, dass es sich zeitlich zurückbewegt, wie es sich vorwärtsbewegt, und es kann sogar so aussehen, als ob es sich gleichzeitig an zwei Orten befindet. Die Welt des unendlich Kleinen ist so bizarr, dass Wissenschaftler den Begriff "Quantenverrücktheit" geprägt haben, um ihn zu beschreiben.
Das Problem für Physiker bestand darin, eine Theorie zu entwickeln, die die uns bekannte Welt mit der Quantenwelt vereinen würde. Eine Erklärung für alle vier bekannten Kräfte: Schwerkraft, starke und schwache Kernkräfte und Elektromagnetismus. Superstrings könnten diese Antwort sein.
Durch mathematische Gleichungen wurde deutlich, dass die Art und Weise, wie wir Teilchen zuvor als "Punkte" oder "kleine Kugeln" von Energie angesehen hatten, ungenau war. Diese winzigen Materieteile verhielten sich tatsächlich eher wie wackelnde, vibrierende Saiten . Strings sind so klein, dass Brian Greene, ein Physiker und Befürworter, erklärt, wenn ein einzelnes Atom die Größe unseres Sonnensystems hätte, wäre ein String nur so groß wie ein Baum. Strings machen jedoch alle Materie von der Quantenebene an aus.
Die Art und Weise, wie Saiten vibrieren, bestimmt die spezifischen Eigenschaften jedes einzelnen Partikels und vergleicht das Universum mit einer kosmischen Symphonie von Superstrings. Um die Theorie der mathematischen Anomalien zu beseitigen, waren jedoch sechs zusätzliche Dimensionen erforderlich. Die sechs zusätzlichen Dimensionen formen an jedem Punkt in unserem Raum winzige, zusammengerollte 6-D-Formen. In diesen 6-D-Formen befinden sich die Zeichenketten der Superstringtheorie. Die sechs zusätzlichen Dimensionen und unsere drei bedeuteten, dass es wirklich 9 Dimensionen gab. Addieren Sie eine weitere für die Zeit , und die Summe betrug 10 Dimensionen. So überraschend das auch war, es war nicht das Ende.
1995 stellten unterschiedliche Theorien von Superstrings ein Rätsel dar, bis die M-Theorie sie vereinte. Der einzige Haken? Die M-Theorie erforderte mathematisch eine 11. Dimension. Dies ergab ein neues Bild von Saiten, bei dem sich eine Saite bei ausreichender Energie zu einer extrem großen schwimmenden Membran, kurz Brane genannt, dehnen könnte. Branes können unterschiedliche dimensionale Eigenschaften haben und so groß wie ein Universum werden. Tatsächlich existiert unser gesamtes Universum nach der Theorie auf einer schwimmenden Bahn - nur einer von mehreren schwimmenden Bahnen, die jeweils ihr eigenes Paralleluniversum unterstützen. Jede Bahn repräsentiert eine Schicht eines höherdimensionalen Raums oder einer größeren Masse .
Obwohl das Standardmodell der 1970er Jahre bereits drei der vier Kräfte in einer einheitlichen Theorie vereinte, konnte die Schwerkraft nicht mit den drei Quantenkräften in Einklang gebracht werden. Ein Durchbruch bei den Superstrings war jedoch die schwer fassbare Schwerkraft, die das Flüstern des Heiligen Grals der Physik mit sich brachte. Wenn ein masseloses hypothetisches Teilchen, das für die Übertragung der Schwerkraft verantwortlich ist - das Graviton - auf der Quantenebene als geschlossene Kette existiert , würde dies eine direkte Gravitationsverbindung zur Theorie der Superstrings darstellen.
Die Theorie sagt voraus, dass Zeichenfolgen offen oder geschlossen sein können. Offene Fäden oder Fäden, die kleinen wackelnden Haaren ähneln, haben mindestens einen Endpunkt, der an der Membran "befestigt" ist, wie ein Oberleitungswagen, der über ein oberes Kabel an einer elektrischen Leitung befestigt ist. Saiten können sich durch die Brane bewegen, sie aber nicht verlassen und erklären, warum wir nicht physisch aus unserer Dimension heraus sehen oder greifen können. Die Atome, aus denen unser Körper besteht, bestehen aus offenen Ketten, die Endpunkte an unserer 3-D-Membran haben. Eine andere Betrachtungsweise ist die Betrachtung einer Kinoleinwand. Menschen auf einem Bildschirm scheinen dreidimensional zu sein, aber sie können nicht wirklich vom Bildschirm in unsere 3-D-Welt hineinreichen. Sie stecken in ihrer 2-D-Welt fest, so wie wir in unserer 3-D-Welt stecken und nicht in benachbarte Dimensionen vordringen können. Wissenschaftler bezeichnen dies als Freiheitsgrade .
Aber das Graviton ist anders. Als geschlossene Kette oder Schleife ohne angeschlossene Endpunkte wurde die Theorie aufgestellt, dass sie unserer 3-D-Bahn entkommen und in andere Dimensionen vordringen könnte. Dies würde erklären, warum die Schwerkraft um ein Vielfaches schwächer ist als die anderen Kräfte.
Was aber, wenn das Gegenteil wahr wäre? Was ist, wenn die Schwerkraft auf einer Parallelbahn so stark ist wie die anderen Kräfte, aber hier schwächer ist, weil sie nur in unsere Dimension eindringt? Mathematisch hat die Superstringtheorie wieder wunderbar funktioniert und schließlich eine plausible Erklärung für die Schwäche der Schwerkraft geliefert, während sie mit den anderen drei Kräften vereinigt wurde.
Es gab nur noch eine Hürde: Die vereinheitlichende Theorie sollte auch den Urknall erklären können. Vier Physiker, die zusammen in einem Zug unterwegs waren, gingen dieses Thema beiläufig an. Einer von ihnen stellte die Frage: Was würde passieren, wenn zwei Branes kollidieren? Die plausible mathematische Antwort war der Urknall.
Kritiker der Superstringtheorie verweisen auf den Mangel an Beweisen und die Schwierigkeit, diese zu liefern. Ist es nur ein schönes mathematisches Konstrukt? Eine Philosophie? Oder eine wahre Erklärung unserer Welt? Keine andere Theorie hat es geschafft, alle vier Kräfte mathematisch zu vereinen, geschweige denn den Urknall zu erklären. Der Nachweis, dass andere Dimensionen existieren - schwimmende Branes und parallele Universen - war jedoch ein wesentlicher Knackpunkt.
Die Anhänger der eleganten Theorie sind jedoch bestrebt, den Beweis zu erbringen, und Wissenschaftler haben inzwischen festgestellt, dass es möglicherweise einen beobachtbaren Beweis für astronomisch große Zeichenfolgen gibt. Damit gewinnt die Superstringtheorie weiter an Boden. Letztendlich könnten Superstrings, wenn sie erfolgreich sind, von elf Dimensionen bis hin zu parallelen Universen, von den wirbelnden Galaxien bis zur Quantensuppe, wirklich die Theorie von Allem sein .